[논문 리뷰] First constraints on non-minimally coupled Natural and Coleman-Weinberg inflation and massive neutrino self-interactions with Planck+BICEP/Keck

N. Bostan, Shouvik Roy Choudhury|arXiv (Cornell University)|2023. 10. 02.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 181인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 플랑크 및 BICEP/Keck CMB 데이터를 사용하여, 자가상호작용을 갖는 질량이 있는 중성자에 의해 영향을 받는 비최소 결합된 자연적 및 콜드먼-바이너 인플레이션 모델에 대한 최초의 제약 조건을 제시한다. 비최소 결합 계수 ξ = −10⁻²와 같은 특정 값들에서, 중성자 자가상호작용을 고려할 경우 인플레이션 예측이 1σ 신뢰 영역 내에 들어가게 되어, 최소 ΛCDM + r 프레임워크에서는 배제된 모델들이 복구됨을 발견하였다.

ABSTRACT

In this work, for the first time in literature, we study the predictions of non-minimally coupled Natural and Coleman-Weinberg potentials in the $n_s-r$ plane, and an extended $Λ$CDM model where we include non-standard self-interactions among massive neutrinos, mediated by a heavy scalar or vector boson. Constraints were derived using the Planck 2018 + BICEP/Keck 2018 datasets along with other data. For the inflationary potentials, we consider two different formulations in gravity that are non-minimally coupled to the scalar field of the inflaton: extit{Metric and Palatini.} We only consider the self-interaction to be present among $τ$-neutrinos and only at moderate strengths. This is because strong interactions among $τ$-neutrinos, or any strength self-interaction among electron- and muon-neutrinos, as well as any strength flavor-universal interactions, are strongly disfavoured from particle physics experiments. In terms of cosmological data, we use the latest public CMB datasets from Planck 2018 and BICEP/Keck 2018 collaborations, along with other data from CMB lensing, BAO, RSD, and SNe Ia luminosity distance measurements. We find that there are some situations where predictions from the inflationary models are ruled out at more than 2$σ$ by the minimal $Λ$CDM$+r$ model, but they are allowed in the self-interacting neutrino scenario.

연구 동기 및 목표

• 비표준 중성자 자가상호작용이 존재하는 상황에서 비최소 결합된 자연적 및 콜드먼-바이너 인플레이션 모델의 타당성을 평가하기 위해.
• 이러한 인플레이션 포텐셜의 맥락에서 중력의 메트릭 및 팔라티니 공식화의 예측을 비교하기 위해.
• 중성자 자가상호작용이 인플레이션 모델 예측과 천체물리적 관측치 간의 갈등을 완화시킬 수 있는지 평가하기 위해.
• 이러한 모델의 nₛ–r 매개변수 영역에서 τ-중성자 자가상호작용(중간 강도)의 영향을 평가하기 위해.
• 최소 ΛCDM + r 시나리오에서 배제된 모델들이 자가상호작용 중성자로 확장될 경우 타당해지는지 테스트하기 위해.

제안 방법

• 연구는 메트릭 및 팔라티니 중력 공식화를 모두 사용하여 비최소 결합 스칼라 장 인플레이션 모델을 사용하며, 자연적 및 콜드먼-바이너 인플레이션 포텐셜을 적용한다.
• 중성자 자가상호작용을 모델링하기 위해, 무거운 스칼라 또는 벡터 보손에서 유도된 4- Fermion 효과적 상호작용을 도입한다.
• 확장된 ΛCDM 프레임워크에서 플랑크 2018 CMB, BICEP/Keck B-모드, CMB 렌즈, BAO, RSD, SNe Ia 데이터 세트를 사용하여 천체물리적 제약 조건을 유도한다.
• 수치 분석을 통해 비최소 결합 계수 ξ와 자가상호작용 강도 f의 변화에 따라 인플레이션 예측(nₛ, r)을 계산한다.
• 통계적 호환성을 평가하기 위해, 최소 ΛCDM + r 모델과 1ν-상호작용, MIν 모델에 대해 결과를 비교한다.
• 콜드먼-바이너 포텐셜의 경우, 인플레이션 장의 값이 진공 기대값보다 큰지(ϕ > v) 또는 작은지(ϕ < v)를 구분하여 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중성자 자가상호작용이 포함된 비최소 결합된 자연적 및 콜드먼-바이너 인플레이션 모델이 타당하게 유지될 수 있는가?
• RQ2 메트릭 및 팔라티니 중력 공식화는 이러한 인플레이션 모델의 nₛ–r 예측에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 중성자 자가상호작용이 존재할 때, 어떤 비최소 결합 계수(ξ) 값들이 모델이 1σ 또는 2σ 신뢰 영역 내에 머물도록 하는가?
• RQ4 τ-중성자 자가상호작용의 포함이 플랑크+BICEP/Keck 데이터와의 일치로 향한 nₛ–r 예측을 이동시키는가?
• RQ5 최소 ΛCDM + r 프레임워크에서 배제된 모델들이 자가상호작용 중성자를 포함함으로써 복구되는가?

주요 결과

• 자연적 인플레이션 포텐셜의 경우, ξ = −10⁻²일 때, 1ν-상호작용, MIν 모델에서 메트릭 및 팔라티니 공식화 모두에서 f ≈ 3.5(메트릭), f ≈ 3.05(팔라티니)에서 예측이 1σ 신뢰 영역 내에 포함된다.
• ξ = −10⁻²일 때, 메트릭 공식화에서는 큰 f 값에서 예측이 1σ 영역 내에 유지되지만, 팔라티니 공식화에서는 f ≈ 3.2에서 nₛ ≈ 0.987로 수렴하여 신뢰 영역을 벗어나게 된다.
• 메트릭 공식화에서 콜드먼-바이너 포텐셜의 경우, ξ = 10⁻² 및 ξ = 10은 2σ 영역 내에 들어가지만, ξ = 0 및 ξ = −10⁻⁴는 1ν-상호작용, MIν 모델에서 2σ 이상으로 배제된다.
• 팔라티니 공식화에서 콜드먼-바이너 포텐셜의 경우, ξ = 10⁻¹은 선형 포텐셜 한계에 도달하고 1σ 영역 내에 유지되지만, ξ = 10⁻³은 2σ 영역 내에 있지만, ξ = 10, 10⁻², −10⁻⁴ 및 0은 2σ 영역 외부에 있다.
• 콜드먼-바이너 포텐셜의 ϕ < v 케이스에서, ξ = 10⁻³, 10⁻⁴, −10⁻³, −10⁴ 및 ξ = 0은 모두 1ν-상호작용, MIν 모델에서 1σ 신뢰 영역 내에 포함된다.
• 연구는 ξ ≪ 1일 경우 메트릭 및 팔라티니 공식화의 예측이 유사하지만, ξ = −10⁻²일 경우 두 공식화 간의 데이터에 대한 호환성에서 상당한 차이가 발생함을 발견하였다.